Struktur i mikroskala av bergarter påvirker mikroseismisiteten på underjordisk lagringssted for karbondioksid

Å dempe og reversere effektene av klimaendringer er den viktigste vitenskapelige utfordringen menneskeheten står overfor. Karbonbinding beskriver en rekke teknologier med potensial til å redusere konsentrasjonen av karbondioksid (CO)₂) i atmosfæren. De fleste av disse ordningene involverer lagring av gassen under bakken, men dette er ikke uten risiko, og forskere er bekymret for at underjordisk lagring kan føre til økt seismisk aktivitet (et fenomen kjent som "indusert seismisitet").

Nå har forskere i USA og Sveits studert mikroseismisitet, de små seismiske hendelsene forårsaket av karboninjeksjon i vertsbergarten, ved Illinois Basin Decatur Project (IBDP) i det midtvestlige USA. I 2011–2014 injiserte IBDP en million tonn CO₂ inn i et underjordisk reservoar like over et rhyolitt-krystallinsk basseng. Nikita Bondarenko og Roman Makhnenko ved University of Illinois og Yury Podladchikov ved Universitetet i Lausanne har brukt en kombinasjon av feltobservasjoner og datasimuleringer for å vise hvordan mikroseismisitet ved IBDP er svært avhengig av mikroskalastrukturen til vertsbergarten.

Mohrs sirkel

Grunnlaget for forskernes tilnærming er et konsept kalt "Mohrs sirkel", som beskriver grafen som kan tegnes for å avbilde en stresstensor. Mohrs sirkler er integrert i mange geoengineering-bestræbelser, og Mohrs sirkler kan plottes for å beskrive responsen til jordsmonn, mineraler og andre geofysiske materialer på stress i flere retninger. Målet til forskerne var å utvikle en dypere forståelse av den lokale mikroseismisiteten, ved kun å vurdere hendelser av størrelsesorden 2.0 eller mindre på Richters skala, under injeksjon av CO₂ inn i IBDP-bergreservoaret.

For å komplettere Mohrs sirkelberegninger har gruppen vurdert hvordan CO₂ oppfører seg som en væske og fyller sprekkene og porene i vertsbergarten. Resultatene deres fra observasjonen av IBDPs seismiske aktivitet indikerer at injeksjonen av CO₂ inn i den "krystallinske kjelleren" (bergarten under en sedimentavsetning) kan forverre eksisterende sprekker og forkastninger, og dermed destabilisere bassenget. I tillegg kan injeksjonsindusert sprekkdannelse oppstå i det stive laget rett over den krystallinske kjelleren, også kjent som det "stive kompetente laget."

Hos IBDP, CO₂ injiseres i den nedre enheten av Mt. Simon-sandstein innenfor stratigrafien til Illinois-bassenget (se figur). På grunn av tilstedeværelsen av intraformasjonsforseglinger (ugjennomtrengelige mineralårer i fjellet) i Mt. Simon-komplekset, injiserte COXNUMX₂ påvirker forkastningene i den krystallinske kjelleren under reservoaret, og muliggjør reaktivering av eventuelle forkastningsstrukturer som er gunstig orientert.

Poroelastisk effekt

Et annet fenomen som må adresseres under CO₂ injeksjon er den porroelastiske effekten, som er relatert til poretrykk og mekanisk stress. Denne delen av studien fokuserte på Argenta-sandstein og prekambrisk rhyolitt fra TR McMillen #2-brønnen, som ligger 25 km sørvest for IBDP-injeksjonsstedet. Målet var å måle stedets poromekaniske egenskaper. Kjerner av Argenta-sandstein og prekambrisk rhyolitt ble begge ekstrahert innenfor dybdeområdet 1900–2000 m.

Prekambrisk rhyolitt, den krystallinske kjellerbergarten, er kjent for å ha brudd som tillater intern væskevandring, og derved svekker bergarten og senker dens elastisitetsmodul. Intakte eller heterogene prøver ble oppnådd via laboratorieskalaeksperimenter på prøven med størrelse i størrelsesorden 10-100 mm. Målingene som ble oppnådd på denne minimale skalaen ble deretter kjørt gjennom teamets "fullkoblede hydromekaniske numeriske kode", basert på settet med partielle derivative Biot-ligninger for porevæske og oppførsel, for å modellere seismisiteten indusert av CO₂ injeksjon ved IBDP.

Numerisk modellering

I tillegg til laboratoriemålinger ble det gjort noen numeriske modelleringer for å relatere stratigrafien til sandsteinen og rhyolitten til mikroseismisiteten som fant sted på injeksjonsstedet. Resultater av seismiske undersøkelser utført av Illinois State Geological Survey viser noe ujevn sedimentasjon i de stratigrafiske lagene under IBDP, noe som kan resultere i en endring i spenningen i fjellet. I tillegg ble styrken til bergarten målt, og sammenligning av friksjonsvinkelen til tangentlinjen til Mohrs sirkel gjorde at forskerne kunne forstå terskelen for injeksjonsindusert sprekkdannelse og bergsvikt. Kort sagt konkluderer de med at injeksjonen av CO₂ vil neppe resultere i betydelig seismisk aktivitet.

Forskerne beskriver resultatene sine i Vitenskapelige rapporter, og hovedtrekket fra papiret deres er at seismisitet er et svært komplekst fenomen. Lokale stratigrafiske trekk kompliserer analysen av injeksjonsgenerert seismisitet. Som et resultat kan ikke IBDP-injeksjonsstedet effektivt beskrives av en enkelt Mohrs sirkel, og en mikroseismisk respons kan heller ikke bare forklares av endringene i poretrykk. Hydromekanisk kobling, tofasestrømning, stratigrafiske effekter og temperatur må betraktes som en del av det større bildet av IBDPs seismisitetsprofil. Det må faktisk gjøres mer arbeid for å forene behovet for karbonbinding med industriens fortsatte utbredelse; seismisitet varsler en sikkerhetsfare, som påvirker folks oppfatning av karbonbindingstiltak. Inntil vi oppnår en bedre forståelse av indusert seismisitet fra karboninjeksjon, er farebegrensning den beste handlingen.